Электроника / ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

внутрь герметичного металлического(стального) корпуса, который заполнен инертным газом или сухим воздухом, изолирует транзистор от воздействия внешней среды и обеспечивает механическую прочность прибора. У мощных транзисторов для улучшения отвода выделяющегося на коллекторном переходе тепла основание корпуса часто делается из красной меди, и между основанием и коллекторным слоем создается хороший тепловой контакт,

вывод коллектора в этом случае электрически соединяется с корпусом.

Обратим внимание на то, что собственно транзистор занимает ничтожна малую часть общего объема прибора (порядка одной тысячной доли), остальной объем занят деталями крепления, выводами и тому подобное Поэтому весьма перспективным направлением развития авиационной электроники является интегральное исполнение транзисторных схем (изготовление транзисторов, диодов, резисторов и необходимых соединений между ними–целых электронных схем–внутри полупроводникового материала единым технологическим процессом).

53

а)			1
			2
			3
6 мм
			4
		12 мм
40 мм			5
			6
		7
	8
б)	К	в)	К
Б		Б
	Э		Э

Рисунок 4.2 - Типовая конструкция сплавного маломощного транзистора: 1 — собственно транзистор; 2 — защитное покрытие; 3— крышка корпуса; 4 — основание корпуса; 5 — изолятор (стекло); 6 — вывод коллектора; 7 — вывод базы; 8—вывод эмиттера.

Напомним, что, помимо резкого снижения габаритов и веса (схемная плотность монтажа интегральных устройств увеличивается по сравнению с дискретным исполнением примерно в 103 раз), интегральное исполнение существенно повышает надежность электронных устройств.

Наряду с транзисторами описанного типа р–п–р в электронных устройствах широко используются транзисторы типа п–р–п. Исходным материалом для изготовления последних служит полупроводник с проводимостью p – типа , а для образования эмиттера и коллектора применяется донорная примесь. Транзисторы п–р–п типа по принципу действия и устройству не отличаются от приборов типа р–п–р; полярности

54

напряжений внешних источников для транзисторов р–п–р и п–р–п должны быть противоположными. Условные графические обозначения биполярных транзисторов типов р–п–р и п–р–п приведены на рисунке4.2,б-в.

Подчеркнем, что в отличие от электровакуумной лампы биполярный транзистор является обратимым прибором: благодаря однотипности крайних слоев эмиттер и коллектор можно менять местами. Однако вследствие неодинаковой концентрации примеси в эмиттерной и коллекторной областях и различных геометрических размеров переходов характеристики транзистора в инверсном («перевернутом») включении обычно отличаются от характеристик нормально включенного прибора.

В корпусах некоторых типов транзисторов создается вакуум. Все транзисторы в зависимости от механизма перемещения носителей зарядов через область базы можно разделить на бездрейфовые (носители перемещаются – диффундируют – под действием градиента их концентраций в соседних областях полупроводника) и дрейфовые, в которых движение носителей (дрейф) осуществляется за счет сил электрического поля,

образованного неравномерным распределением примеси но толщине базы.

Отметим, что в реальном транзисторе диффузия и дрейф обычно сочетаются;

приведенные названия транзисторов отражают главный механизм перемещения носителей.

По способу изготовления (формирования р – п переходов)

транзисторы делятся на сплавные (устройство сплавного триода показано на рисунке 4.1), тянутые (выращенные), диффузионные, диффузионно-сплавные

(конверсионные, мезатранзисторы и так далее), планарно-эпитаксиальные.

Первые две технологии обеспечивают получение так называемых

«резких» р– п переходов (бездрейфовых транзисторов), для которых характерно постоянство концентрации примеси по толщине базы и

.практически скачкообразное изменение концентрации в области р – п

перехода, остальные технологические процессы используются для

55

изготовления дрейфовых приборов, так как при применении этих процессов

р – п переходы получаются «плавными».

4.1. Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим работу бездрейфового плоскостного транзистора типа p–

п–р, реальная структура которого показана на рисунке 4.1 и схематически

(без соблюдения масштаба) воспроизведена на рисунке 4.3,а.

Если внешние напряжения UБЭ и UБК равны нулю, то, как было показано ранее, потоки основных и неосновных носителей через переходы динамически уравновешиваются, и результирующий ток в структуре,

изображенной на рисунке 4.3, а равен нулю.

В активном (усилительном) режиме работы на управляющий

(эмиттерный) переход транзистора подается напряжение UБЭ, поле которого направлено встречно полю потенциального барьера этого перехода. Принято говорить, что напряжение UБЭ при указанной на рисунке полярности смещает переход в прямом направлении.

56

а)		Enб0 - Eбэ	Enб0 + Eбк
Эмиттер		База		Коллектор
	p	n			p
iэ iэp ≈ iэ		iэn ≈ 0		iэ α
iэ		iэ α iэ α			iк
	iэ (1 – α)				iк0
			iб
			iб = iэ - iк =
			= iэ (1 – α) - iк0
+	-	iэ	iк		+	-
	uбэ	0			uбк
б)	u		бэ
			u
		nб0				i
		u
	0	бэ		бэ
		u		u
		-
		nб0
		u			кэ
					u
				бк
				u

iк = iэα + iк0

Rн

Рисунок 4.3 - Активный режим работы биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой: а — токи через переходы и во внешней цепи; б — распределение потенциала внутри транзистора.

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к появлению эмиттерного тока, образованного внутри транзистора суммой двух составляющих: потоком основных носителей эмиттера (дырок)iэр и базы (электронов) iэп.

iэ iэр iэn

(4.1)

57

Концентрация донорной примеси базы NAn обычно на 2 – 3 порядка ниже концентрации акцепторной примеси в эмиттере и соответственно nn pp. Поэтому током iэn можно пренебречь, то есть

Iэ iэр

(4.2)

Инжекция дырок приводит к возникновению в эмиттере избыточного отрицательного заряда, под действием которого через эмиттерный вывод немедленно и непрерывно (по мере ухода дырок в базу) выталкивается соответственное количество электронов, образующих ток iэ во внешней цепи;

эмиттерный слой остается электрически нейтральным.

Дырки, прошедшие эмиттерный переход, также не нарушают электрической нейтральности базы, так как их заряд компенсируется притоком соответствующего количества электронов из внешнего источника

Uбэ по базовому выводу. Таким образом, цепь эмиттерного тока оказывается замкнутой (рисунок4.3, а).

В базовом слое транзистора вблизи эмиттерного перехода создается область повышенной концентрации дырок, которые под действием градиента концентраций диффундируют в направлении уменьшения концентрации, то есть в сторону коллектора. Часть дырок рекомбинирует с электронами.

Поскольку дырки в базовом n – слое оказываются неосновными носителями, то потенциальный барьер коллекторного p – n – перехода,

смещенного в обратном направлении внешним напряжением Uбк (рисунок

4.3, а), не является для них препятствием. Наоборот, суммарное поле барьера и внешнего напряжения направлено так, что все дырки, подошедшие в результате диффузии к коллекторному переходу, перебрасываются полем перехода (экстрагируются) в область коллектора и проваливаются в«потенциальную яму»,изображенную на рисунке 4.3, б.

Для электронов, основных носителей в области базы, потенциальный барьер коллекторного перехода непреодолим. Однако, по мере ухода дырок в

58

область коллектора, электроны выталкиваются через базовый вывод во внешнюю цепь.

Положительный заряд коллекторного слоя, возникающий при экстракции дырок в коллектор, компенсируется электронами, поступающими по внешнему выводу от источника Uбк. Таким образом, и цепь коллекторного тока оказывается замкнутой (рисунок 4.3, а).

Помимо составляющей ikp, пропорциональной управляющему току эмиттера iэp, через коллекторный переход течет неуправляемый (тепловой)

ток ik0, представляющий собой ток проводимости p – n – перехода,

включенного в не пропускном направлении.
Таким образом, ток коллектора определяется следующим образом:
ik iэ ik 0	(4.3)

где α– коэффициент передачи тока эмиттера

При нормальной (не повышенной) температуре ток ik0 достаточно мал

(для маломощных германиевых транзисторов он составляет единицы или десятки микроампер, для кремниевых – десятые доли или единицы микроампер), поэтому

ik 0 iэ

(4.6)

Величина α0 определяется, в основном, значением коэффициента переноса χ, так как коэффициенты эффективности эмиттера γ и коллектора δ в нормальном режиме работы обычно не отличаются от единицы. Другими словами, ток коллектора меньше тока эмиттера всего на несколько процентов

ia iэ 0, 95 0, 99 iэ		(4.7)
Ток, протекающий через вывод базы, равен разности токов эмиттера и
коллектора
iб	iэ iк	(4.8)
либо
iб	iэ 1 iко	(4.9)
		59

4.2. Транзистор как усилительный прибор.

Схемы ОБ и ОЭ

Чтобы использовать транзистор в качестве усилительного прибора, в

его коллекторную цепь включают сопротивление нагрузки RН (показано штриховыми линиями на рисунке 4.3,а). Напряжение между базой и коллектором UБК после включения RН уменьшится за счет падения напряжения, однако ток коллектора практически не изменится так как переход включен в обратном направлении и на неосновные носители он не влияет.

Наибольшее влияние на изменение потока дырок оказывает UБЭ.

Наибольшее его изменение существенно изменяет iЭ, а следовательно iК.

Напряжение UБК может быть на много больше UБЭ, так как оно приложено к переходу в обратном направлении (UБК – десятки вольт; UБ –

доли вольта). Таким образом, падение напряжения на RH будет на 1 – 2

порядка превышать UБЭ. То есть достигается усиление входного напряжения по величине. Мощность на нагрузке будет также превышать мощность входного сигнала так как

iK iЭ ,аUR UБЭ

(4.10)

Мощность входного сигнала в нагрузку не попадает, она расходуется только на управление потоком энергии, который идет от коллекторного источника в нагрузку.

Таким образом, схема включения транзистора с общей базой не дает усиления по току.

60

а)

rвн

-

eН

+

			iк					б)
	iк			p	К			iб
бк	iк0
u			iэ α
								rвн
								-
iб	iэ α			n	кэ	Rн	uн	eН
iб								+
			iэn	≈ 0	u
	iэ (1 – α)				Б
бэ	iэp ≈ iэ			p
u					Э
		iэ
	iэ	0

Eк0

uбэ

uбк	iк
	кэ
	u

uН Rн iэ

0 + -

Eк0

Рисунок 4.4 - Включение транзистора по схеме с общим эмиттером: а – токи через

переходы и во внешней цепи; б – схема с условным изображением транзистора.

Коэффициент усиления (передачи) тока для схемы с общим эмиттером можно определить, подставив в выражение для коллекторного тока (4.5)

		iК 0			iЭ iК					0					(4.6)
Тогда с учетом
		iБ iЭ 1 0 iК											0		(4.7)
Получаем из (4.7)
		iЭ		i					iК	0
				Б											(4.8)
								1 0
			1 0
Следовательно, из выражений (4.6) и (4.8) получаем
		iБ 0						0
iК				1							iК0				(4.9)
								0
	1 0				1
Либо
		iК iБ 1 iК												0	(4.10)

61

где			0		– коэффициент передачи тока в схеме ОЭ;
	1			0
	Очевидно, если величина α0 близка к единице, то β0 может достигать

десятков; для большинства транзисторов (в нормальном режиме) β0 = 20– 100.

Из выражения (4.10) следует, что при iБ = 0
iК iЭ iК	(1 )	,	(4.11)
	0
Через последовательно соединенные переходы			(коллекторный в не

пропускном направлении и эмиттерный в прямом направлении) проходит начальный ток (ток коллектора). Его увеличение по сравнению с iK0

объясняется тем, что при iБ = 0 в базе накапливается отрицательный заряд,

который снижает барьер эмиттерного перехода, следовательно возрастает инжекция дырок из эмиттера в базу, часть которых экстрагируются коллектором.

4.3. Режимы работы биполярного транзистора

Помимо рассмотренного активного (усилительного) режима, транзистор в ряде схем может работать в режимах отсечки или насыщения. Кроме этого,

как уже отмечалось, в некоторых случаях транзистор работает в инверсном

(«перевернутом») включении; для инверсного включения также различают три режима работы: активный, отсечки и насыщения.

62